Předměty:
- Úvod
- Nabíjecí zástrčky a připojení
- Elektronické zásobovací vybavení vozidla (EVSE)
- Možnosti nabíjení
- Časy načítání
- Ceny k načtení
- Komunikace mezi nabíjecí stanicí a vozidlem
- Bezdotykový pilot
- Řídící pilot
- Elektrická síť
Předmluva:
Baterie elektromobilů nebo plug-in hybridů lze nabíjet pomocí externích nabíjecích zařízení. Vůz můžete připojit nabíjecím kabelem k veřejné nabíjecí stanici, veřejné nabíjecí stanici nebo soukromému nástěnnému boxu (na venkovní fasádě nebo v garáži) a nabíjet baterii přes elektrickou síť. Často je k dispozici také mobilní nabíječka, která umožňuje nabíjení přes zásuvku, ale doporučuje se používat tuto nabíječku pouze v případě nouze.
Následující obrázek ukazuje nabíjení elektromobilu. Na boku vozidla je klapka, která vypadá velmi podobně jako klapka paliva na autě se spalovacím motorem. Za klapkou najdeme zástrčku, do které lze zasunout nabíjecí zástrčku.
Nálepka v klopě ukazuje, jakou barvou se v určitém stavu rozsvítí LED vedle zástrčky.
Nabíjecí konektory a připojení:
Nabíjecí zástrčky a připojení jsou standardizovány v Evropě. Mennekes (typ 2) používáme pro AC nabíjení (střídavý proud) a zástrčku CCS2 pro DC nabíjení (stejnosměrný proud).
Následující obrázek ukazuje kombinovaný Mennekes Type 2 s nabíjecími zástrčkami CSS2. Tato zástrčka umožňuje nabíjení (rychlé) stejnosměrným proudem.
Obrázek níže ukazuje zástrčky používané v jiných částech světa. Rozlišuje se AC a DC, přičemž DC varianta je často prodloužením AC konektoru.
Elektronické zásobovací vybavení vozidla (EVSE):
Veřejná nabíjecí zařízení jsou vždy vybavena rozhraním s EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). To zajišťuje bezpečnost a komunikaci. Mezi funkce EVSE patří:
- Kontrola připojení: po potvrzení, že jsou všechny zástrčky připojeny a uzamčeny, se spustí režim nabíjení;
- Vlastní diagnostika: při zjištění chyb je přerušeno napájení ze sítě;
- Detekce unikajícího proudu: v případě jakékoli formy unikajícího proudu je přerušeno napájení ze sítě;
- Řízení proudu: komunikuje s palubní nabíječkou v autě pomocí PWM signálu pro omezení proudu.
Možnosti načítání:
Při nabíjení střídavým proudem (AC) se elektřina z elektrické sítě v automobilu přeměňuje na stejnosměrný proud (DC). Nevýhodou AC nabíjení je vysoké riziko indukčních jevů a ztrát v důsledku odporu vodiče. Ve voze také probíhá přeměna ze střídavého na stejnosměrný proud, než se energie dostane do baterie, což omezuje nabíjecí proud.
Nabíjení stejnosměrným proudem (DC) umožňuje „super“ rychlé nabíjení. Přeměna AC/DC již neprobíhá v palubní nabíječce, ale mimo vozidlo. Baterii lze tedy nabíjet větší nabíjecí kapacitou a je tedy rychleji plná. To je ideální pro nabíjení během přestávky na kávu na dálnici po zbytek cesty.
Způsoby a rychlosti, kterými lze vozidlo naložit, lze rozdělit do čtyř různých režimů. Režimy 1, 2, 3 a 4 ukazují, jak je vozidlo připojeno k elektrické zásuvce.
- Režim 1: nabíjení probíhá přímo přes elektrickou síť domácí přípojky. Ve vozidle se napětí převádí z AC (střídavý proud) na DC (stejnosměrný proud). Nabíjecí zařízení poskytuje bezpečnost, protože neexistuje žádné omezení proudu nebo zpětná vazba z vozidla do zásuvky. Tento způsob nakládání se používá zřídka, protože hrozí nebezpečí a závady, a proto je v mnoha zemích zakázán.
- Režim 2: stejně jako v režimu 1 se používá zásuvka domovní přípojky a nabíjecí proud je omezen na 16 A Vermogen 3,68 kW. Pro zamezení přetížení je však výkon přes nabíjecí kabely obvykle omezen na 2,3 kW (cca 10 A). S režimem nabíjení 2 je nabíjecí stanice navržena jako mobilní nabíječka, kterou lze vzít s sebou. Ve vozidle palubní nabíječka přeměňuje AC na DC.
- Režim 3: nabíjení využívá pevnou nabíjecí stanici nebo nástěnný box, který je stejně jako v režimu 2 připojen k elektrické síti budovy. Nabíječka v režimu 3 je vhodná pro AC nabíjení a pro výkony od 3,68 do 22 kW. Střídavý proud se opět ve výkonové elektronice vozidla převádí na stejnosměrný.
- Režim 4: Zatímco režimy nabíjení 1 až 3 využívají střídavý proud a ten je nutné ve vozidle převést na stejnosměrný, u režimu 4 nabíjení probíhá přeměna ze střídavého proudu na stejnosměrný v samotné nabíjecí stanici. Stejnosměrný proud je přiváděn přímo do akumulátoru. Toto je známé jako DC nabíjení nebo rychlé nabíjení. DC nabíjecí stanice pro nabíjení v režimu 4 vyžaduje vstupní napětí alespoň 480 voltů a dodává výkon 43 kW.
Časy načítání:
Doba nabíjení hybridních a elektrických vozidel může být určena kapacita baterie vydělit dodaným množstvím Vermogen z nabíječky.
Dostupný nabíjecí výkon není určen pouze typem nabíječky a nabíjecího kabelu, ale také maximálním nabíjecím výkonem, pro který je výkonová elektronika ve vozidle vhodná. Nová luxusní auta stále častěji získávají větší baterie s větší kapacitou pro větší dojezd, ale protože se zvyšuje kapacita nabíjení, může to dokonce znamenat, že se doba nabíjení zkracuje. Jako příklad si vezmeme VW e-Golf (32 kWh) ve srovnání s Mercedesem EQS SUV 500 (108,4 kWh). Ne všechna vozidla lze nabíjet stejnosměrným proudem až na 100 %. DC nabíjení se zastaví na 80 %. Posledních 20 % jde s nižší kapacitou nabíjení přes AC. Jde o ochranu HV baterie.
VW e-Golf (32 kWh)
AC nabíjení:
Pomocí nabíjecí zástrčky typu 2 lze baterii nabíjet pomocí střídavého proudu. Maximální nabíjecí výkon palubní nabíječky je 3,7 kW. Když se akumulátor nabije z 20 % prostřednictvím nabíjecí stanice (režim 3), trvá to přibližně 7 hodin. Vysvětlení: 80 % (nabíjení) z 32 kWh = 25,6 kWh. Dobu nabíjení vypočítáme vydělením potřebného výkonu dodaným výkonem: (25,6 / 3,68) = 6,96 hodin (6 hodin a 58 minut).
Při nabíjení přes zásuvku (režim 2) je výkon omezen na 2,3 kW a doba nabíjení je 11,13 hodin (11 hodin a 8 minut).
DC nabíjení:
Při rychlonabíjení stejnosměrným proudem o výkonu 44 kW je baterie plně nabitá po 0,58 hodinách (35 minutách).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC nabíjení:
Pomocí nabíjecí zástrčky typu 2 lze baterii nabíjet pomocí střídavého proudu. Maximální nabíjecí výkon palubní nabíječky je 11 kW. Opět předpokládáme, že budeme účtovat od 20 %. Výkon, který má dodávat nabíjecí zařízení, je 86,72 kW. Při nabíjení přes nabíjecí stanici je doba nabíjení 7,88 hodin (7 hodin a 53 minut).
DC nabíjení:
S režimem 4 je možné nabíjet až 207 kW. Doba nabíjení je: (86,72 / 207) = 0,42 hodiny (25 minut).
Ceny za načtení:
Existuje mnoho poskytovatelů dobíjecích karet. Přehledy sazeb nabízejí různé webové stránky. V této části předpokládáme sazby za energii, které platily v březnu 2023, a nebereme v úvahu předplatné ani počáteční sazby za nabíjecí relaci, ale pouze ceny energie.
- Nizozemsko AC 0,60 €/kWh
- Nizozemsko DC 0,85 €/kWh
- Belgie a Lucembursko 0,65 €/kWh
- Evropa: AC 0,51 EUR/kWh
- Evropa: DC 0,87 EUR/kWh
V příkladech VW e-Golf a Mercedes EQS počítáme ceny nabíjení na základě kapacity nabíjení a skutečnosti, že budeme nabíjet od 20% rozsahu.
- VW e-Golf: na základě nabíjecího výkonu 25,6 kW stojí 15,36 EUR za AC nabíjení v Nizozemsku a 21,76 EUR za DC nabíjení. Celkový dojezd: 190 km.
- Mercedes EQS: s nabíjecí kapacitou 86,72 kW stojí v Nizozemsku 52 EUR za AC nabíjení a 73,70 EUR za DC nabíjení. Dojezd je kolem 485 km.
Komunikace mezi nabíjecí stanicí a vozidlem:
Modul nabíjecího rozhraní zajišťuje komunikaci mezi nabíjecí stanicí a vozidlem. Takzvaný „Proximity Pilot“ a „Control Pilot“, zkráceně „PP“ a „CP“ indikují, že je připojena nabíjecí zástrčka a určují, jaký je povolený nabíjecí proud. Následující dva odstavce vysvětlují fungování PP a CP.
Na obrázku vidíme CP a PP v americké zástrčce typu 1 (vlevo) a evropské zástrčce typu 2 Mennekes (vpravo), obě kombinované s nabíjecí zástrčkou DC. Soustředíme se na pravou zástrčku s CP, PP, tři fáze (L1 až L3) s nulovým vodičem (N) a tzv. Ochrannou zem (PE).
V této části je použit následující diagram, který je založen na evropské normě (IEC 62196-2). To se týká konektoru typu 2, nazývaného také Mennekes. V diagramu vidíme (zleva doprava) následující součásti:
- EVSE ovladač: jedná se o modul, který je zabudován do nabíjecí stanice nebo nástěnné krabice;
- Nabíjecí zástrčka: kromě nabíjecího proudu probíhá komunikace mezi ovladačem EVSE a ovladačem vozidla přes PP a CP;
- Ovladač vozidla: elektronika ve vozidle aktivuje proces nabíjení, jakmile je splněno několik podmínek.
Bezdotykový pilot:
Bezdotykový pilot má dvě funkce: registraci, zda je připojen nabíjecí kabel, a registraci, který typ nabíjecího kabelu je připojen, aby bylo možné určit maximální nabíjecí proud.
Na níže uvedeném schématu je obvod PP zbarven červeně. Zde vidíme dělič napětí mezi R1 a R2, který je napájen 5 volty. Řídící jednotka měří napětí mezi R1 a R2 (to je pro názornost indikováno voltmetrem). Rezistor R1 slouží jako pull-up rezistor.
- Pokud není připojena žádná nabíjecí zástrčka, není zde žádný dělič napětí. Rezistor R1 neabsorbuje žádné napětí, takže naměřené napětí je 5 voltů;
- Po připojení nabíjecí zástrčky se vytvoří sériové připojení. S danými hodnotami odporu naměří řídící jednotka napětí 3,1 voltu.
Hodnota odporu v nabíjecí zástrčce udává maximální proud procházející nabíjecím kabelem. Tyto hodnoty odporu jsou následující:
- 100 ohmů: maximálně 63 A;
- 220 ohmů: maximálně 32A;
- 680 ohmů: maximálně 20 A;
- 1500 ohmů: maximálně 13A.
Hodnota odporu v příkladu je 220 ohmů, což znamená, že proud procházející tímto nabíjecím kabelem může být maximálně 32 A. Vyšší nebo nižší odpor zajišťuje jiné dělení napětí a tím i jiné vstupní napětí regulátoru.
Severoamerické konektory spadají pod standard: SAE J1772. Tato nabíjecí zástrčka typu 1 se liší od evropské verze:
- Jednofázové střídavé napětí místo třífázového střídavého napětí v evropské zástrčce typu 2;
- Ruční uzamykací hák. Extra dělič napětí umožňuje zabudovat extra bezpečnost. Jakmile je rozpoznáno, že bylo tlačítko stisknuto, nabíjecí systém se okamžitě vypne.
Níže uvedený diagram ukazuje verzi pro USA.
Obzvláště zajišťovací hák rozšiřuje okruh Proximity Pilot.
- V konektoru je dělič napětí;
- Spínač S3 je paralelně s rezistorem R7. V klidu je spínač sepnut a odpor R7 je přemostěn;
- Při vyjímání zástrčky musí řidič použít zajišťovací hák, aby zástrčku vytáhl z vozidla. Při stisknutí tohoto háčku se S3 otevře. Rezistor R7 je součástí děliče napětí.
ControlPilot:
CP monitoruje proces nabíjení od požadavku na zahájení nabíjení až do konce nabíjení, kdy je baterie plně nabitá. CP umožňuje komunikaci mezi ovladačem EVSE v nabíjecím zařízení a vozidlem.
- Po připojení nabíjecího kabelu k nabíjecí stanici přivede ovladač EVSE napětí 12 voltů do konektoru Control Pilot nabíjecí zástrčky.
- jakmile je nabíjecí zástrčka připojena k vozidlu, napětí klesne na přibližně 9 voltů v důsledku děliče napětí mezi R3 a R4;
- Regulátor měří vstupní napětí přes ST2 (Schmitt spoušť).
Červeně je označen průtok proudu připojeným nabíjecím kabelem.
- Po zaregistrování 9 voltů regulátor EVSE sepne relé K2. Místo 12 voltového zdroje je v obvodu zahrnut oscilátor;
- oscilátor vytváří obdélníkové napětí od -12 do +12 voltů;
- dioda zajišťuje, že se napětí na připojení CP mění mezi +9 a -12 volty;
- S pracovním cyklem v signálu PWM ukazuje ovladač EVSE maximální nabíjecí proud, který může vozidlo spotřebovat.
Po vytvoření signálu PWM ovladač vozidla sepne relé K1, když je vozidlo připraveno k zahájení nabíjení.
- Relé K1 spíná rezistor R5 k zemi;
- v důsledku paralelního spojení mezi R4 a R5 klesne kladný impuls signálu PWM na 6 voltů;
- Napětí 6 voltů je měřeno ovladačem EVSE v nabíjecím zařízení a nyní připojí napájecí zdroj k nabíjecímu kabelu pro nabíjení baterie.
Obrázek níže ukazuje signál z řídicího pilota, který ukazuje vývoj napětí v závislosti na čase. Tento napěťový profil lze měřit na přípojce Control Pilot nabíjecí zástrčky, když je připojena.
- Stav A: Neexistuje žádné spojení s vozidlem. Dokud není připojen nabíjecí kabel, zůstává napětí 12 voltů;
- Stav B: Elektrické vozidlo je připojeno. Relé K2 je pod napětím. Napětí klesne na 9 voltů kvůli diodě v obvodu;
- Stav C: Relé K1 je pod napětím. Toto je „signál“ pro nabíjecí jednotku pro zahájení procesu nabíjení.
Stavy D a E indikují, kdy je vyžadována akce pro ventilaci nebo ukončení procesu nabíjení, protože byla zjištěna chyba.
Elektrická síť:
V části „Možnosti nabíjení“ byly zobrazeny režimy 1 až 4. Vozidlo si můžete nabíjet doma pomocí domácí nabíječky, wallboxu, nabíjecí stanice nebo přes rychlonabíječku po dálnici. Zejména nabíjení doma prostřednictvím vlastního nabíjecího zařízení je stále oblíbenější. Domácí nabíječku lze jednoduše zapojit do zásuvky, ale pro získání co nejkratší doby nabíjení větším nabíjecím proudem lze úpravou rozvodné skříně připojit vlastní nástěnnou skříň. Nejprve se podíváme na pojmy: 1- a 3-fázový střídavý proud.
U 1fázového připojení vidíme „standardní“ elektrický kabel se třemi žilami:
- hnědý: fázový vodič;
- modrá: neutrální vodič;
- žlutá/zelená: zemnící vodič.
U 1-fázové nabíjecí stanice nebo wallboxu proudí elektřina dvěma vodiči (fázový vodič a nulový vodič).
1-fázový wallbox nebo nabíjecí stanice využívá standardní 230 V připojení domácí elektroniky. Maximální výkon je 16 A, což přináší maximální nabíjecí výkon 1-fázové nabíječky na 3,7 kW. Akumulátor o výkonu 60 kW se touto nabíjecí kapacitou nabije přibližně za 16 hodin, což trvá poměrně dlouho. Většina nových elektromobilů má vyšší kapacitu.
Je možné zvýšit maximální proud v rozvodné skříni domácí elektroniky, aby byla větší kapacita pro 32A 1-fázovou nabíječku. V takovém případě lze nabíjet maximálně 7,4 kW. U 1fázové nabíječky však existuje možnost, že dojde k přetížení rozvodné skříně a následnému výpadku proudu. Kromě nabíjecí stanice je zde více elektrospotřebičů, které využívají elektrickou síť, včetně pračky, myčky, varné desky a tepelného čerpadla. S pomocí vyvažování zátěže lze využít maximální kapacitu:
- Během dne je velká šance, že se používá několik elektrických spotřebičů. Nabíjecí proud pro vozidlo je snížen;
- Většina zařízení je na noc vypnutá, takže vozidlo má větší kapacitu nabíjení.
Pro rychlejší nabíjení je možné nabíjecí stanici nebo wallbox připojit k rozvodné skříni pomocí 3fázového připojení. Nemusí se nutně jednat o tok energie. U 3fázového připojení vidíme dva další vodiče:
- černá: extra fázový vodič;
- šedá: extra fázový vodič.
U 3fázové nabíjecí stanice proudí elektřina čtyřmi vodiči (tři fázové vodiče a nulový vodič).
Nabíjecí kapacita nabíjecí stanice nebo nástěnného boxu u 3fázového připojení je vyšší než u 1fázového připojení, což znamená, že se vozidlo nabíjí rychleji. Nikdy není překročen maximální nabíjecí proud vozidla. Některá vozidla jsou vhodná pouze pro nabíjení do 3,7 kW. Nemá pak smysl vytvářet 3-fázové připojení. Vozidla mohou být vhodná i pro 7,4 nebo 11 kW: vyplatí se zvýšit kapacitu (3 * 16 A) z rozvodné skříně.
U starších domů se často setkáváme s 1fázovou přípojkou (do 35 A) v rozvodné skříni. Všechny tři fáze jsou přítomny, ale pouze jedna je připojena.
Rozvodnou skříň lze předělat tak, aby byly využity všechny tři fáze. Novější domy, kde je rozvodná skříň připravena pro více elektrických spotřebičů (např. solární panely, indukční varná deska a tepelné čerpadlo), mohou být již od dodání vybaveny 3fázovým připojením. V takovém případě elektroměr říká „3×220/230V nebo 3×380/400 voltů“. Ze spodní části rozvodné skříně jsou také celkem čtyři vodiče – tři fázové vodiče a nulový vodič. V závislosti na rozvodné skříni je skupina chráněna až do 1x25A, 1x30A nebo 1,35A. Čím větší je udávaný proud, tím více proudu lze současně použít.
Na obrázku níže je pět situací od 1fázového po 3fázové zapojení v rozvodné skříni a použití 1fázové nebo 3fázové nabíječky.
1 fáze: Pomocí nouzové nabíječky můžete nabíjet vozidlo přes zásuvku. S wallboxem může 1-fázová skupina nabíjet až 16A bez vyvažování zátěže a 32A s vyvažováním zátěže. 32A lze dosáhnout pouze tehdy, když v domě nejsou aktivní žádné další spotřebiče.
Pro výkony do 7,4 kW je možná 1-fázová síť s vyrovnáváním zátěže. Při používání více elektrických spotřebičů s vysokou spotřebou v domácnosti, včetně pračky/sušičky, myčky nádobí a tepelného čerpadla, se výkon sníží, aby se zabránilo přetížení. V praxi to znamená, že výkon může klesnout až o 50 %. Přepnutí z 1 na 3 fáze je proto rozumné.
3 fáze: Pokud je současně požadováno příliš mnoho energie, může to způsobit přetížení a spuštění ochrany, což způsobí výpadek napájení. Je proto důležité, aby síť mohla dodávat dostatek elektřiny. S 3-fázovým připojením lze současně dodávat více proudu. 3 fázové skupiny jsou standardně chráněny až do 25A.
- 11 kW: je nutné vyztužení elektroměrové skříně. Úprava z 1 fáze na 3 fáze je dostatečná;
- 22 kW: kromě úpravy z 1 fáze na 3 fáze je potřeba zvýšení o 35A.
Úprava na 22 kW a 35A je pro soukromníky sotva zajímavá. Vzhledem k navýšení je třeba zaplatit další roční stálé poplatky ve výši 1000 EUR. Za každý těžší krok (3x63A nebo 3x80A) je třeba zaplatit příplatek. Navíc mnoho elektrických vozidel (zatím) není vhodných pro nabíjení tak vysokými střídavými proudy:
Očekává se, že počet vozidel, která mohou nabíjet 22 kW na střídavý proud, v příštích letech poroste.
